基于Flow Simulation的空氣凈化器風(fēng)機(jī)設(shè)計研究

藺勇智 楊威 劉東海

無限極（中國）有限公司 廣東廣州 510663

1 引言

目前空氣凈化器市場競爭激烈，同時國家標(biāo)準(zhǔn)對于空凈產(chǎn)品各項指標(biāo)的要求也愈加嚴(yán)格，風(fēng)機(jī)作為空氣凈化器的核心結(jié)構(gòu)，自主設(shè)計開發(fā)風(fēng)機(jī)能夠讓空凈企業(yè)靈活地根據(jù)產(chǎn)品定義需求進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，優(yōu)秀的風(fēng)機(jī)設(shè)計能力可以讓空凈企業(yè)打造性價比更具優(yōu)勢的產(chǎn)品[1][2]。因此風(fēng)機(jī)設(shè)計開發(fā)能力是空凈企業(yè)實力體現(xiàn)的重要指標(biāo)之一，是保證企業(yè)核心競爭力的重要因素。本文基于Flow Simulation流體仿真模塊，利用流體仿真分析及手板實測的組合方式探索并驗證一套適合空氣凈化器風(fēng)機(jī)設(shè)計研究的方法。

2 風(fēng)機(jī)設(shè)計理論計算

本文以一款雙進(jìn)風(fēng)前傾風(fēng)機(jī)的空凈開發(fā)項目為案例進(jìn)行設(shè)計研究。根據(jù)項目定義需求，對風(fēng)機(jī)進(jìn)行理論計算設(shè)計。

2.1 風(fēng)機(jī)設(shè)計參數(shù)輸入

為滿足性能指標(biāo)，產(chǎn)品定義需求是一款雙進(jìn)風(fēng)的前傾離心風(fēng)機(jī)作為動力系統(tǒng)，因此首先要評估雙進(jìn)風(fēng)前傾離心風(fēng)機(jī)的選型方向是否合理。通過計算風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)速，可以評估預(yù)期選型的風(fēng)機(jī)形式是否合理。比轉(zhuǎn)速計算公式如下[3]：

其中：Q為風(fēng)機(jī)能輸出的額定流量，n為風(fēng)機(jī)葉輪的額定轉(zhuǎn)速，ρ為空氣密度，P為風(fēng)機(jī)額定全壓。

對產(chǎn)品定義需求技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，抓取出公式所需要的參數(shù)。根據(jù)產(chǎn)品CADR的技術(shù)指標(biāo)需求可以初步定義風(fēng)機(jī)理論額定流量。本文所研究的案例，初步定義風(fēng)機(jī)額定流量為Q=1000 m3/h，雙進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)可看成兩個風(fēng)機(jī)并聯(lián)，因此可按額定風(fēng)量的一半進(jìn)行計算[6]，則Q≈0.14 m3/s，20℃常規(guī)介質(zhì)空氣密度ρ≈1.2 kg/m3[4][5]。

根據(jù)產(chǎn)品CCM的技術(shù)指標(biāo)需求可以推斷出濾紙用量和活性炭等填充物用量，本文所研究的案例，初步定義單組濾網(wǎng)厚度為65 mm，表面積約為0.16 m2，單組濾網(wǎng)尺寸為360 mm×460 mm×65 mm。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行濾網(wǎng)樣品制作及測試，得到濾網(wǎng)樣品的“壓降-流速”的實驗數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 濾網(wǎng)樣品壓降-流速實測曲線

因產(chǎn)品預(yù)定義為雙進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)，所以單組濾網(wǎng)的額定過風(fēng)量為500 m3/h。通過計算可知過濾網(wǎng)的額定流速約為0.9 m/s，因此通過圖1可以得出單組濾網(wǎng)的阻力約為60 Pa?？紤]結(jié)構(gòu)系統(tǒng)阻力、動壓損失、理論計算效率等因素，初步定義風(fēng)機(jī)全壓為P=120 Pa。

根據(jù)風(fēng)機(jī)所需功率公式：

其中：q為總流量，P為風(fēng)機(jī)全壓，η為全壓效率，ηm為機(jī)械效率，K為電動機(jī)容量安全系數(shù)。結(jié)合行業(yè)經(jīng)驗參數(shù)，可知所需電機(jī)軸功率約為70 W。初步電機(jī)選型為軸功率85 W，額定轉(zhuǎn)速1270 rpm的電機(jī)?？紤]電機(jī)壽命，不建議長期滿載狀態(tài)下運行，因此建議優(yōu)選設(shè)計轉(zhuǎn)速n=1000 rpm。

因此通過比轉(zhuǎn)速公式計算可知：ns≈10.3，根據(jù)選型原則，可選前傾式離心風(fēng)機(jī)、后傾式離心風(fēng)機(jī)[6]。

通過以上計算結(jié)合成本因素考慮，雙進(jìn)風(fēng)前傾離心風(fēng)機(jī)的選型方向是合理的，并初步獲得風(fēng)機(jī)設(shè)計參數(shù)，如表1所示。

表1 初步風(fēng)機(jī)設(shè)計參數(shù)

2.2 風(fēng)機(jī)葉輪理論設(shè)計

如圖2所示，風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計需要計算葉輪外徑D2、葉輪內(nèi)徑D1、葉片高度b、葉片進(jìn)風(fēng)角β1、葉輪出風(fēng)角β2、葉片間距t的取值。

根據(jù)葉輪周速計算公式：

圖2 葉輪設(shè)計參數(shù)示意圖

可計算得風(fēng)機(jī)葉輪外徑D2取值范圍為：0.246 m～0.268 m。因此初步優(yōu)選，D2取250 mm、260 mm兩個參數(shù)值進(jìn)行理論設(shè)計。

根據(jù)流體連續(xù)性方程：

其中：β1為葉片進(jìn)風(fēng)角，β2為葉片出風(fēng)角。若葉輪進(jìn)出口相對速度相等，則：

為方便理論計算?。害?+β2=90°，則：β1=51°，β2=39°。

由于前傾風(fēng)機(jī)葉道短，葉片彎曲大，如圖3所示。為了減少葉道分離損失，一般δ=180°-（β1+β2）≤90°[1]。

根據(jù)歐拉方程：

可簡化為：pt=ρu2C2u，當(dāng)β1+β2=90°時，根據(jù)幾何關(guān)系可知，C2u=2u2，如圖4所示。根據(jù)能量守恒原理，β2角度略微減小風(fēng)機(jī)的靜壓增大，流量減小，β2略微增大流量增大，風(fēng)機(jī)的靜壓減小。因此需要根據(jù)性能需求對β1和β2角度進(jìn)行微調(diào)。

圖3 葉片設(shè)計參數(shù)示意

圖4 葉輪葉片速度三角示意圖

根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗，葉片距離t=(0.7～1)Rk，Rk為葉片圓弧半徑。因項目定義為塑料葉輪，葉片需要一定的結(jié)構(gòu)厚度，為了兼顧改善葉道內(nèi)流動分離，葉片距t=1×Rk為最佳，

根據(jù)葉片數(shù)z計算公式：

則，葉片數(shù)量初步定義為45片。

2.3 蝸殼設(shè)計

蝸殼張開度A示意圖如圖5所示。根據(jù)阿基米德螺旋線方程，可推導(dǎo)蝸殼張開度A的計算公式為：

其中：B為蝸殼深度，取值為葉片高度加上結(jié)構(gòu)間隙，初步定義B=165 mm。為簡化計算，取C2u=2u2。

則，當(dāng)D2=0.25 m時，蝸殼張開度A定義為65 mm。

當(dāng)D2=0.26 m時，蝸殼張開度A定義為62 mm。

確定葉輪外徑D2及蝸殼張開度A后，可以在三維軟件中使用笛卡爾坐標(biāo)系方程，通過阿基米德螺旋線方程式獲得所需的蝸殼曲線。同時由于空凈產(chǎn)品對靜音要求較高，因此需要采用短蝸舌的設(shè)計方案。

3 三維建模及Flow Simulation仿真分析

根據(jù)理論計算，有2個設(shè)計參數(shù)方案，如表2所示。

圖5 蝸殼張開度A示意圖

表2 風(fēng)機(jī)理論設(shè)計定義方案參數(shù)梳理

3.1 設(shè)計方案梳理及三維建模

通常來說空凈產(chǎn)品阻力主要由濾芯阻力和結(jié)構(gòu)阻力兩部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)阻力主要由濾芯艙蓋和出風(fēng)口柵格造成的阻力構(gòu)成。結(jié)構(gòu)阻力會根據(jù)產(chǎn)品ID設(shè)計等情況參數(shù)值略有不同，因此在產(chǎn)品開發(fā)早期，可以根據(jù)競品測試或者行業(yè)經(jīng)驗來預(yù)估結(jié)構(gòu)阻力的“壓降-流速”曲線。首先將結(jié)構(gòu)阻力的“壓降-流速”和濾芯的“壓降-流速”數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)合，得到整機(jī)的預(yù)估壓降-流速曲線，如圖6所示。

圖6 整機(jī)預(yù)估壓降-流速曲線

然后將理論計算的2個設(shè)計參數(shù)方案進(jìn)行三維建模。在風(fēng)機(jī)兩側(cè)進(jìn)風(fēng)口處建有濾芯倉，倉內(nèi)放置用來模擬濾芯的實體模型，在Flow Simulation中設(shè)置該實體模型為多孔介質(zhì)，并載入整機(jī)的壓降-流速曲線，用來模擬風(fēng)機(jī)負(fù)載工況，如圖7所示。需注意，濾芯和風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口需留有合適的過風(fēng)間隙。

圖7 通過多孔介質(zhì)模擬風(fēng)機(jī)負(fù)載工況

3.2 使用Flow Simulation對方案進(jìn)行對比評優(yōu)

以效益優(yōu)先為原則，需要在兩個方案中優(yōu)選一個進(jìn)行后續(xù)的深度開發(fā)，因此通過對兩個方案模型使用Flow Simulation流體仿真模塊進(jìn)行分析評優(yōu)，相對于手板模型測試驗證評優(yōu)方法不但成本低，而且效率更高。

將兩個方案模型在Solid works中標(biāo)出葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域，在Flow Simulation中使用相同的計算域參數(shù)、葉輪轉(zhuǎn)速參數(shù)、邊界條件參數(shù)、多孔介質(zhì)參數(shù)（整機(jī)負(fù)載模擬設(shè)置）、目標(biāo)參數(shù)、網(wǎng)格參數(shù)等，對兩個方案模型分別進(jìn)行流體仿真分析，如圖8所示。

圖8 Flow Simulation流體仿真模塊進(jìn)行分析計算

仿真計算完成后，可通過Flow Simulation計算結(jié)果中的表面參數(shù)選項分析，得知風(fēng)機(jī)在加載濾芯工況下產(chǎn)生的風(fēng)量。通過聲學(xué)能量圖，可以橫向?qū)Ρ葍蓚€方案產(chǎn)生的聲學(xué)能量數(shù)據(jù)。兩個方案經(jīng)過分析計算后，對比數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 兩個方案流體分析數(shù)據(jù)

分析數(shù)據(jù)可知，方案1即可滿足產(chǎn)品定義風(fēng)量，從產(chǎn)品尺寸控制角度來說，選擇方案1進(jìn)行開發(fā)，更有利于后期的ID設(shè)計及成本控制，因此選擇方案1進(jìn)行深度優(yōu)化設(shè)計。

3.3 利用Flow simulation進(jìn)行方案優(yōu)化

將方案1，利用Flow Simulation流體仿真模塊分析風(fēng)機(jī)負(fù)載濾芯工況下的風(fēng)機(jī)流速和葉輪相對壓力，如圖9、圖10所示。

圖9 風(fēng)機(jī)流速圖

圖10 葉輪表面相對壓力仿真分析圖

根據(jù)模擬分析結(jié)果并結(jié)合風(fēng)機(jī)設(shè)計理論，判斷可嘗試調(diào)整葉片入風(fēng)角β1、葉片出風(fēng)角β2取值，來優(yōu)化風(fēng)機(jī)性能[7]。根據(jù)β1+β2≥90°原則，進(jìn)行葉片出風(fēng)角β2及葉片入風(fēng)角β1的取值優(yōu)化，建立優(yōu)化方案流體分析實驗計劃表，如表4所示。

表4 方案1優(yōu)化方案流體分析實驗計劃表

根據(jù)優(yōu)化方案實驗計劃表，分別建立優(yōu)化方案的三維模型，并利用Flow Simulation進(jìn)行流體仿真分析。對比數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 優(yōu)化方案流體分析數(shù)據(jù)對比

通過分析各優(yōu)化方案風(fēng)量除以聲學(xué)能量得到的比值，判斷優(yōu)化方案B更優(yōu)。優(yōu)化方案B可以適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，在滿足產(chǎn)品定義風(fēng)量的情況下有效降低噪聲值。觀察優(yōu)化方案B的葉輪相對壓力仿真分析圖，葉輪自蝸殼張開度A至進(jìn)入蝸舌處葉片壓力明顯減少，如圖11所示。

圖11 優(yōu)化方案B葉輪表面相對壓力仿真分析圖

4 結(jié)論

對優(yōu)化方案B進(jìn)行手板樣機(jī)制作，并按國標(biāo)方法進(jìn)行測試。測試結(jié)果接近流體分析的數(shù)值，如表6所示，滿足項目定義的參數(shù)設(shè)計需求。

表6 手板堆疊樣機(jī)測試數(shù)據(jù)

通過表6測試數(shù)據(jù)可以說明本文基于Flow Simulation的流體仿真研究方法可有效并快速地進(jìn)行空氣凈化器風(fēng)機(jī)設(shè)計開發(fā)，該仿真研究方法具有如下優(yōu)勢：

（1）高效性優(yōu)勢：Flow Simulation可快速對多個預(yù)設(shè)方案參數(shù)進(jìn)行分析評優(yōu)，指導(dǎo)方案設(shè)計方向，加快研發(fā)進(jìn)度。

（2）經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢：Flow Simulation的驗證方法可以大大節(jié)省企業(yè)樣機(jī)手板制作費用。利用流體仿真可以進(jìn)行大量的方案分析計算，從而優(yōu)選價值方案再進(jìn)行手板驗證。

研究中也發(fā)現(xiàn)了如下不足之處：

（1）Flow Simulation進(jìn)行流體分析計算，對計算機(jī)性能要求較高。需要企業(yè)對計算設(shè)備進(jìn)行額外投入。

（2）因項目節(jié)點處于開發(fā)早期，且考慮簡化分析計算，通常模型較為簡化，并未表達(dá)結(jié)構(gòu)中的所有細(xì)節(jié)，其分析結(jié)果必然受到影響，可能導(dǎo)致一定的錯誤或較大的偏差。

相較于大量的手板驗證，計算設(shè)備購買成本相對較低，而因模型簡化導(dǎo)致的計算偏差，可通過方案的手板校驗盡可能地避免。計算機(jī)仿真輔助設(shè)計是不斷優(yōu)化迭代的過程，待產(chǎn)品結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計完成后，可對完整方案模型再次進(jìn)行流體分析驗證，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行深度優(yōu)化，從而尋求最優(yōu)解[8][9]。